力學計量技術標準裝置的現(xiàn)狀分析與發(fā)展方向

任懷峰 于大偉

【摘要】力學計量通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建構了較為完善的計量體系。而近幾年來，隨著智能化技術、自動化技術、圖像顯示技術、微處理技術、數(shù)字化技術、光電技術、計算機技術等技術的高速發(fā)展，力學計量也有了新的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建構了很多準確度高、量程寬的計量標準裝置。基于此，本文就力學計量技術標準裝置的現(xiàn)狀與發(fā)展方向做了敘述，以期能夠為相關工作者提供一點幫助。

【關鍵詞】力學計量技術;標準裝置;現(xiàn)狀分析;發(fā)展方向

在計量學中力學是開展較早的一項領域，力學計量在國民經(jīng)濟發(fā)展過程中有著極為重要的作用，力學計量技術的理論基礎來源于牛頓力學，力學計量通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建構了較為完善的計量體系。而近幾年來，隨著各種高新技術的的飛速發(fā)展，力學計量也有了新的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)建構了很多準確度高、量程寬的計量標準裝置。因此對其現(xiàn)狀及發(fā)展方向進行積極研究有著極為重要的意義。

1.力值計量簡述

力學計量技術標準裝置其作為力值的具體傳遞標準，在上個世紀70年代之前，國際上主要使用百分表式測力儀和水銀箱式測力儀，這兩種測力儀準確度相對較低.隨著科學技術的高速發(fā)展，很多的力基標準裝置不斷被建立，這些力基標準裝置采用的主要結構形式有疊加式、杠桿式、靜重式等，而我國在20實際70年代末依次建立了1MN以下的一些力基、標準裝置，之后又建立了5MN、20MN、30MN力基、標準裝置，而且對這些力基、標準裝置的檢定程序作了進一步完善，最終使得我國的力值量傳體系也得到了很好的完善。

2.當前力值計量技術標準裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

力值計量技術標準裝置經(jīng)過這幾年的發(fā)展，比較成熟的有凈重式、杠桿式、疊加式及力傳感式動態(tài)校準等，這些力值計量技術標準裝置具有各自的特征，以下對其進行詳細敘述;

2.1 凈重式

對于使用凈重式的力值計量技術標準裝置，主要有凈重式基、標準測力機及凈重式基、標準機，這些標準裝置都是通過已經(jīng)確定的砝碼重力直接作為標準機的基、標準力值。利用特定的程序和儀器將其平穩(wěn)的施加至要進行鑒定的測力儀上，這種標準裝置，也可以說是一種直接加荷式測力機，因此一些研究者也將其稱為直接加荷式基、標準測力機。在該測力機中，因為空氣浮力必然會對其產(chǎn)生影響，因此對質(zhì)量為m的砝碼在整個重力場中所復現(xiàn)力值計數(shù)F表達如（1）式所示：

F=mg（1-ρa/ρw） ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

在（1）式中F表示力值，單位為N;m為砝碼的質(zhì)量，單位為kg;g表示在該凈重式基、標準測力機安裝地點的重力加速度，單位為m/s2;ρa表示安裝地點空氣密度，單位為kg/m3;ρw表示砝碼使用材料的密度，單位為kg/m3。對于這類凈重式的力值計量技術標準裝置，其測定力值的不準確性，主要是因為砝碼質(zhì)量不確定性、安裝地點重力加速度不確定性及對空氣密度和砝碼本身密度的不確定性等造成的，另外，在測量過程中，還和機器本身負荷、構造、被測量物體加載方式及砝碼本身穩(wěn)定性存在很大的關系，而通常情況下，這類機器的不確定度要達到1×10-5。

2.2 杠桿式

對于使用杠桿式的力值計量技術標準裝置，其主要是通過不等臂杠桿系統(tǒng)（復式或單級）對已經(jīng)知道砝碼重力做放大，進而獲得標準力值，然后在要進行檢定的測力儀上平穩(wěn)的施加，對于其復現(xiàn)的力值F表達如（2）式所示：

F=kmg（1-ρa/ρw） ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

在（2）式中k表示杠桿放大比，及杠桿長壁長和杠桿短臂之間的比值;m為砝碼的質(zhì)量，單位為kg;g表示在該凈重式基、標準測力機安裝地點的重力加速度，單位為m/s2;ρa表示安裝地點空氣密度，單位為kg/m3;ρw表示砝碼使用材料的密度，單位為kg/m3。對于這類杠桿式基、標準測力機，除了要考慮上述的凈重式因素外，還要對杠桿比測量不確定性做考慮，其計量學性能和杠桿組合及構造方式、刀承和刀刃加工及構造質(zhì)量有關，通常情況下，其力值不確定度要達到1×10-4。

2.3 疊加式

對于疊加式標準機和上述的兩種測力機有很大的區(qū)別，它不再使用絕對的測量方法，而是使用相對比較的測量，通常是通過一組標準相對很高的測力儀來當做其標準，通過合適的裝置，和要進行檢測的測力儀進行疊置或串聯(lián)之后，通過機械方式或者液壓方式施加一定負荷，然后進行比較測定，在其使用過程中，其力值不確定性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）標準測力儀具體的性能指標;

（2）使用的具體疊加或串聯(lián)方式;

（3）加荷機構性能及安裝質(zhì)量。

目前我國已有的最大力值是1MN和500kN的疊加式力標準機，通常情況下，其不確定度能達到3×10-4。

2.4 力傳感器校準

當前，用于力傳感器動態(tài)校正的方法主要是正弦力法。正弦立法是使用一個振動臺，并在振動臺臺面上安裝被測傳感器，被測傳感器頂部安裝已經(jīng)測定好的質(zhì)量m的質(zhì)量塊，在測量時，振動臺做正弦運動過程中，按照牛頓第二定律，力傳感器所承受的力為F=ma，式中a可以通過加速度進行測量，通過對振動臺振動頻率進行改動，就能獲得不同頻率范圍內(nèi)的正弦力。這種方法測量效果較好，但是依然有一些局限性，如范圍不夠、力值大小容易受限，并且安裝過程中可能存在一些誤差，所以校準不確定度相對很低，當前使用并不廣泛。

3.力學計量技術標準裝置的發(fā)展方向

近幾年來，隨著各種新技術、新材料的使用，在力值計量方面，其主要的發(fā)展趨勢如下：

（1）計算機技術的發(fā)展使得自動化充分被利用，各種功能齊全的校準軟件大量應用在各種標準機內(nèi)，使得校準速度大幅度提高，大大減小了人工操作誤差。當前的力標準機基本上都完成了自動化。

（2）動態(tài)力研究進一步發(fā)展，通過動態(tài)處理技術及動態(tài)信號分析，對動態(tài)力的信號采集及出現(xiàn)機理研究將是力值計量的另一主要研究方向。

（3）對于微小力值和大力值標準測力機的研究，仍然是今后力值計量發(fā)展的一個重點方向。

4.結語

當今社會科學技術發(fā)展日新月異，使得力學計量實現(xiàn)跨越發(fā)展有了新的基礎，很多新技術為力學計量發(fā)展創(chuàng)建了足夠的技術手段和平臺。但是從總體來講，力學計量今后主要發(fā)展方向為以下兩個方面：

（1）進行極端量值計量研究，如超高壓計量技術、微小力值、大力值研究將是今后力學計量的又一主要發(fā)展方向;

（2）使用更多的新理論、新技術及新方法，如虛擬儀器計量技術、數(shù)字化儀器等的應用是力學計量的另一發(fā)展方向。

參考文獻

[1]羅志勇.質(zhì)量自然基準的研究進展及發(fā)展方向[J].計量學報，2007（07）.

[2]張鑫，郭清南，李學磊.壓力傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電機電器技術，2004（04）.

[3]李慶忠.質(zhì)量、力值等力學計量最新發(fā)展動向[J].計量技術，1998（01）.

[4]唐純謙.力值計量標準現(xiàn)狀及研究進展[J].中國測試，2009（03）.